土路肩頂部填土對波形梁護欄立柱支撐力分析及評價

陳 濤

（中鐵二院工程集團有限責任公司 公路與市政設計研究院,四川 成都 610000）

0 引言

護欄作為公路交通安全設施重要的組成部分，在保障公路運營安全作用突出，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，道路橋梁段與高路堤路段必須設置路側(cè)護欄，路側(cè)護欄宜設置在公路路側(cè)土路肩內(nèi)。作為波形梁護欄設置的載體，土路肩的壓實度是否滿足規(guī)范要求，直接影響波形梁護欄立柱承載力。

SB級、SA級波形梁護欄是高等級公路高填方路段土路肩上安裝較為廣泛的兩種半剛性護欄，其立柱支撐力是否滿足要求直接影響行車安全，現(xiàn)行規(guī)范要求路側(cè)土基壓實度一般不宜小于90%，目前國內(nèi)很多高速公路項目土路肩頂部采用局部培土綠化構(gòu)造形式，這種構(gòu)造形式相對土路肩硬化構(gòu)造具有施工方便、造價便宜、可綠化、便于波形梁護欄安裝的特點，是一種工程上大量設計與施工采用的代表性土路肩構(gòu)造形式，但該種土路肩構(gòu)造形式對波形梁護欄的支撐力是否具有影響，能否有效地保證行車安全，還沒有相關的分析及評價。

1 研究現(xiàn)狀

在發(fā)生交通事故時，受失控車輛重量、碰撞角度、碰撞速度等各種因素影響，車輛在與波形梁護欄發(fā)生碰撞過程中護欄的立柱與土路肩的地基土之間的相互作用力變化十分復雜。護欄作為防止失控車輛沖出路堤的安全設施，其強度主要取決于護欄各個組件的剛度、抗拉強度以及護欄立柱埋入深度范圍的地基承載力，特別是在發(fā)生碰撞時護欄立柱在地基中的水平承載力與位移的關系是決定護欄是否具有滿足要求的阻擋功能、緩沖功能及導向功能的重要因素。根據(jù)日本土木研究所等單位對波形梁護欄立柱強度的專門實驗研究，在滿足條件的壓實度情況下，護欄受力時，立柱發(fā)生0.1 m位移以前，是地基承載力在發(fā)揮作用；當位移0.1~0.8 m時，護欄的立柱發(fā)生了彎曲，其水平承載力主要受護欄鋼管立柱的自身強度影響。研究表明，波形梁護欄立柱在發(fā)生碰撞后的水平承載力與地基的壓實度有很大的關系。

交通運輸部西部課題“高速公路舊波形梁護欄防撞能力提升改造技術研究”中對護欄立柱的埋深進行了系統(tǒng)性研究[1]，根據(jù)立柱試驗的結(jié)果，立柱在受到外力時，土基的破壞開裂是沿立柱兩側(cè)向邊坡延伸，經(jīng)初步分析，在土基壓實度一定的條件下，阻止立柱傾斜的因素有兩方面：一是立柱的埋置深度；二是立柱背部阻止立柱變形的土方量。根據(jù)試驗檢測結(jié)論，在一定土壓實度條件下和立柱距離土路肩距離一定的情況下，立柱不同埋置深度的極限支撐力與埋深1.1 m條件下的極限支撐力的比值穩(wěn)定在一較小的范圍內(nèi)，立柱1.4 m埋深下，其立柱支撐力變化基本不明顯。

湖南大學的胡高賢[2]通過計算機仿真研究了土基對波形梁護欄安全性能的影響，研究發(fā)現(xiàn):車輛與護欄碰撞時，碰撞能量主要由護欄的變形吸收。在土基壓實度較小時，護欄的橫向位移主要受土基壓實度影響，橫向位移隨著土基壓實度增大而減??；當土基壓實度在96%以上時，護欄的橫向位移主要受立柱失效的影響，此時，橫向位移隨壓實度增大而增大。

基于以上研究，按照現(xiàn)行規(guī)范一般構(gòu)造和尺寸安裝的波形梁護欄在土路肩不低于90%壓實度的情況下，均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，如果支撐條件發(fā)生改變或者壓實度不足時，需要對立柱支撐力進行分析及評價，確定護欄的安裝是否滿足規(guī)范要求，以保障公路運營階段行車的安全。

2 工程概況

國內(nèi)西南地區(qū)某高速公路主線設計速度V=120 km/h，整體性路基寬34.5 m，雙向六車道，其路幅構(gòu)成：0.75（土路肩）+3.0（硬路肩）+3×3.75（行車道）+0.75（路緣帶）+3.0（中央分隔帶）+0.75（路緣帶）+3×3.75（行車道）+3.0（硬路肩）+0.75（土路肩）=34.5 m，填方路基土路肩構(gòu)造形式如圖1、圖2所示，土路肩寬度75 cm，路基邊坡坡度為1∶1.5，路床及路基結(jié)構(gòu)層壓實度不小于94%，土路肩頂部局部培土綠化。全線連續(xù)設置路側(cè)護欄，路基外側(cè)有車輛不能安全越過的攝像機、交通標志、橋墩、聲屏障等障礙物路段，設置的路側(cè)護欄等級至少為SB級，護欄設置原則如下：

圖1 路堤土路肩邊部構(gòu)造1（邊坡高度＞4 m）（單位： cm）

圖2 路堤土路肩邊部構(gòu)造2（邊坡高度≤4 m）（單位： cm）

（1）路堤邊坡高度h＜3.5 m的路段及挖方路段：

3 護欄立柱背面土質(zhì)量研究分析

3.1 計算和評價方法

據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[3-4]規(guī)定，當設置的路側(cè)鋼護欄立柱埋入深度范圍內(nèi)地基壓實度小于90%時，可根據(jù)細則附錄C.4 -C4.2關于支撐條件變更的規(guī)定進行評價分析，流程如下：

3.1.1 設置條件及地基狀況的檢查

護欄立柱設置于路側(cè)，其強度取決于立柱以外的土路肩寬度、路堤邊坡的坡度、立柱埋入土路肩的深度和土路肩的構(gòu)造材料等支撐條件，通過與細則中一般構(gòu)造示例中相應數(shù)據(jù)進行對比，不同時，應檢查護欄立柱的設置基底情況，對承載能力不滿足要求的基礎進行改善。

3.1.2 立柱背面土質(zhì)量的計算

前期研究表明，護欄在受到車輛碰撞后，汽車碰撞護欄的荷載將由立柱的地基承載力來承擔，承載力的大小取決于立柱背面土的體積和密度，通過圖3可計算出1根立柱所涉及的背面土質(zhì)量（其中H為波形梁護欄鋼立柱的埋入土路肩的深度，x為鋼立柱中心與土路肩外邊緣的距離），根據(jù)計算結(jié)果來評價立柱所受的支撐力?，F(xiàn)設置A級波形梁護欄；但路基外側(cè)有車輛不能安全越過的攝像機、交通標志、橋墩、聲屏障等設施：設置打入式SB級波形梁護欄，立柱間距為2 m。

圖3 鋼護欄立柱背面土質(zhì)量的計算范圍

（2）路堤邊坡高度3.5 m≤h≤10 m的路段：設置打入式SB級波形梁護欄，立柱間距為2 m。

（3）路堤邊坡高度10 m

3.1.3 立柱背面土質(zhì)量的評價

通過運用圖3計算方法計算波形梁護欄1根立柱背面土質(zhì)量是否不小于表1中對應的立柱背面土質(zhì)量，以確認地基對立柱的支撐力是否滿足要求，如立柱后背面土質(zhì)量不滿足要求，須對立柱進行加固處理，如采用規(guī)范要求的獨立混凝土基礎加固法、設置連續(xù)混凝土基礎加固法、縮短立柱間距加固法。

表1 部分防護等級護欄1根立柱的背面土質(zhì)量

3.2 計算及評價

根據(jù)上述計算和評價方法，通過對圖1和圖2兩種代表性土路肩構(gòu)造進行波形梁護欄立柱背面土質(zhì)量進行計算，土的密度（未壓實的狀態(tài)）取1.35 t/m3，水穩(wěn)層的密度取2.2 t/m3，路床壓實土的密度取1.84 t/m3，H為1.65 m，X為0.435 m。根據(jù)圖3計算公式：單根立柱背面土質(zhì)量（t）=背面回填土土體積（m3）×回填土的密度（t/m3）+水穩(wěn)層土體積（m3）×水穩(wěn)層的密度（t/m3）+路床壓實土的體積（m3）×路床壓實土的密度（t/m3）。

兩種土路肩構(gòu)造計算得出，在土路肩邊部構(gòu)造1中，SB級、SA級波形梁護欄立柱背部土質(zhì)量為2.464 t，在土路肩邊部構(gòu)造2中SB級、SA級波形梁護欄立柱背部土質(zhì)量為2.299 t，并與一般構(gòu)造示例中所示1根立柱的背面土質(zhì)量進行對比，均大于標準值2.19 t，如表2所示。

表2 SB級、SA級波形梁護欄1根立柱的背面土質(zhì)量對比表

兩種波形梁護欄立柱在土路肩邊部構(gòu)造1與土路肩邊部構(gòu)造2中背部土質(zhì)量差值為0.165 t，通過對比兩種土路肩橫斷面可以看出在土路肩邊部構(gòu)造2中，頂部填土的厚度大于構(gòu)造1中填土的厚度，說明在相同的壓實度下，填土厚度對立柱背部土質(zhì)量有很大的影響。填土厚度越大，立柱背部土質(zhì)量就越小。立柱在土路肩構(gòu)造2中背面土質(zhì)量與標準值差值為0.109 t，由于回填土的壓實度不夠，說明此種類型土路肩構(gòu)造形式填土厚度需要控制在一定的范圍內(nèi)，以保證立柱背部的支撐力。

在兩種土路肩構(gòu)造形式中，護欄立柱的背面土質(zhì)量均大于1根立柱的背面土質(zhì)量（標準值）2.19 t，主要是因為在土路肩構(gòu)造中波形梁護欄的立柱有一部分是埋入路面結(jié)構(gòu)層中，而標準值主要是基于在壓實度滿足要求的土基中，通過對比說明，立柱埋入深度范圍內(nèi)地基材料對立柱支撐力有較大的影響。

綜上分析，在相同的土路肩寬度、邊坡坡度和立柱埋入深度的情況下，護欄立柱的支撐力主要取決于地基材料，要保證立柱支撐力滿足要求，在立柱埋入深度范圍內(nèi)地基材料應選擇不小于90%壓實度的材料，如壓實度不滿足要求，須對立柱背面土質(zhì)量進行計算，并與標準值進行對比，如果立柱背面土質(zhì)量小于標準值要求，要么進行地基改造，選擇滿足壓實度要求的材料，或者采用獨立混凝土基礎加固法、設置連續(xù)混凝土基礎加固法、縮短立柱間距加固法，確保必需的背面土質(zhì)量，以保證護欄立柱支撐力滿足要求。

4 結(jié)語

波形梁護欄是我國高速公路上重要的安全設施，碰撞事故發(fā)生時通過護欄各組件和土基等的變形來吸收碰撞能量，并迫使失控車輛改變方向，回到正常行駛狀態(tài)，護欄立柱埋入深度范圍內(nèi)的地基壓實度對波形梁護欄的安全性能有著重要的影響，該文針對目前高速公路土路肩采用頂部回填土構(gòu)造形式造成局部壓實度不夠的實際情況，以西南地區(qū)某高速公路采用的兩種代表性土路肩構(gòu)造作為研究對象，通過對設置的SB級、SA級兩種波形梁護欄立柱支撐力進行研究分析及評價，結(jié)果表明，在這兩種土路肩構(gòu)造形式下，SB級、SA級兩種波形梁護欄滿足現(xiàn)行規(guī)范關于背面土質(zhì)量要求。同時，此評價方法也適用于其他等級波形梁護欄及土路肩構(gòu)造形式，具體分析計算還應根據(jù)土路肩實際地基材料組成進行確定。